Chronique de la 5G - Les réseaux mobiles et l’accès Wi-Fi

24/12/2017
Auteurs : Patrice Collet
Publication REE REE 2017-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-5:21264

Résumé

Chronique de la 5G - Les réseaux mobiles et l’accès Wi-Fi

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	    <date dateType="Updated">Mon 29 Jan 2018</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 20 Apr 2018</date>
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16 ZREE N°5/2017 Patrice Collet poursuit sa chronique sur les technolo- gies qui vont sous-tendre la 5e génération de communi- cations mobiles. Dans ce numéro, il nous parle du couplage entre la 5G et les réseaux locaux Wi-Fi. Introduction Les techniques de réseaux locaux radio (WLAN) et en parti- culier le Wi-Fi ont toujours intéressé les opérateurs de réseaux mobiles : elles permettent en effet une bonne couverture à l’intérieur des bâtiments, alors que les réseaux cellulaires n’y offrent pas toujours un service satisfaisant, et des débits qui, jusqu’à la génération 3G+, ont été notablement supérieurs à ceux qu’offraient les accès radio-mobiles. Les opérateurs de réseaux participent au déploiement des réseaux locaux via les offres d’accès à Internet et les “box”, qui incluent un point d’ac- cès Wi-Fi, via également les “hotspots” installés dans des lieux publics comme les aéroports et les gares. Pour que l’intégration du Wi-Fi aux réseaux mobiles soit satisfaisante, il faut que la continuité de service soit assurée lorsqu’un mobile passe de la couverture radio cellulaire à la couverture Wi-Fi, c’est-à-dire que les sessions de données et de voix établies dans la première technologie continuent, sans interruption ni dommage, en passant à la deuxième et inversement. Or la technologie Wi-Fi standard ne permet pas ce passage. De nombreux perfectionnements ont été appor- tés au fil des années pour permettre aux réseaux mobiles, et notamment aux réseaux 4G LTE, de se coupler sans solution de continuité avec les accès Wi-Fi. La 5G intégrera certaine- ment une bonne partie de ces mécanismes et les rendra encore plus efficaces. Nous décrivons dans la suite les diffé- rentes étapes de ces évolutions. Les premières étapes C’est d’abord pour fournir des services de voix que l’utilisa- tion du Wi-Fi a été envisagée. Au début des années 2000, a été développée la technique GAN1 (ou UMA2 ) qui permettait à un téléphone mobile équipé de Wi-Fi d’accéder au service mobile avec continuité du service. Le mobile pouvait ainsi devenir un terminal sans fil au domicile de l’utilisateur. Pour ce faire, il était nécessaire d’ajouter au réseau mobile une passerelle spécifique, le GAN Controller ou GANC, vers la- quelle les flux de données portés par le Wi-Fi étaient envoyés et qui assurait l’interface avec le réseau mobile. Un certain nombre d’offres ont été faites sur ces bases mais elles n’ont pas eu le succès escompté car rares étaient les terminaux mobiles disposant du Wi-Fi. L’apparition des smartphones qui sont tous équipés de Wi-Fi, ainsi que l’arrivée de LTE ont changé la donne : le transfert de données à partir des terminaux mobiles a litté- ralement explosé. Pour faire face à la croissance du trafic de données, l’idée d’en transférer une partie sur les accès Wi-Fi s’est imposée : c’est ce qu’on appelle le “Wi-Fi Offload”. Dès l’origine du LTE (version 83 ), il a été prévu d’intégrer des réseaux Wi-Fi comme réseaux d’accès. Deux types d’ac- cès Wi-Fi ont été identifiés : s LESACCÒSDITSiTRUSTEDwCORRESPONDENTAUCASOáLALIAISON Wi-Fi est sécurisée par chiffrement et authentification par un protocole du type 802.1x ; s LESACCÒSDITSiUNTRUSTEDwSONTTOUSLESAUTRESRÏSEAUX7I
&I donnant accès à Internet. 1 Generic Access Netrwork 2 Unlicensed Mobile Access 3 Les spécifications du 3GPP sont établies en versions (releases) : la ver- sion 8 est la première version des spécifications de LTE. Figure 1 : Principe de l’accès Wi-Fi “trusted” (a) et “untrusted” (b). Source : Affirmed Networks. (a) (b) ACTUALITÉS Chronique de la 5G Les réseaux mobiles et l’accès Wi-Fi REE N°5/2017 Z 17 Vus du réseau mobile, ils se différencient par le type de passerelle utilisé : TWAG4 pour le premier et ePDG5 dans le second et par l’architecture IP. Dans le cas d’un accès iUNTRUSTEDw LESÏCHANGESDEDONNÏESSONTPORTÏSPARUN tunnel IPsec entre le terminal et l’ePDG (figure 1). Cette op- tion peut être utilisée avec n’importe quel accès Wi-Fi. Sur la base de ces accès, il est possible de fournir des ser- vices de données et également des services de voix mobiles à condition que le cœur de réseau mette en œuvre la voix sur LTE (VoLTE6 ). Pour fonctionner, ces arrangements néces- sitent que le terminal connaisse les possibilités des réseaux Wi-Fi disponibles en matière d’accès au réseau mobile : la fonction de cœur de réseau ANDSF7 , qui fournit les éléments nécessaires à la sélection de réseau, a été définie à cet effet. Cependant la nécessité de mettre en œuvre des passerelles spécifiques et l’évolution fonctionnelle de LTE ont fait que d’autres solutions sont maintenant envisagées pour l’intégra- tion du Wi-Fi avec les réseaux cellulaires. Les nouvelles approches de l’intégration du Wi-Fi Deux grandes évolutions de LTE introduites dans les spé- cifications du 3GPP, l’agrégation de porteuses8 et la double connectivité9 , ont rendu possibles d’autres approches L’agrégation de porteuses permet à un terminal d’uti- liser simultanément plusieurs porteuses pour porter une même session de communication. Avec LTE-A, l’agrégation de porteuses est systématisée pour permettre d’augmenter les débits utiles en utilisant plusieurs bandes de fréquences simultanément : ainsi la version 13 des spécifications (LTE-A Pro) permet d’agréger jusqu’à 32 porteuses, celles-ci pouvant appartenir à des bandes de fréquences sous licence ou à des bandes de fréquences non réglementées10 comme la bande des 5 GHz qui est majoritairement utilisée par le Wi-Fi. La double connectivité (DC) est une fonction qui per- met à un même terminal de se connecter simultanément à deux stations de base d’un même réseau mobile : cette fonc- tion définie dans la version 12 des spécifications du 3GPP permet soit d’augmenter le débit descendant vers les termi- naux, soit de transférer la charge de trafic d’une cellule à une autre. En version 13, la DC s’applique aussi au canal montant. 4 Trusted Wireless Access Gateway 5 Evolved Packet Data Gateway 6 VoLTE : pour offrir les services de voix, avec LTE soit on utilise la voix sur IP avec le protocole de commande SIP (VoLTE), soit on s’appuie sur les réseaux 3G avec le mode CSFB : circuit switched fallback. 7 ANDSF : Access Network Discovery and Selection Function 8 Carrier Aggregation en anglais (CA) 9 Dual Connectivity en anglais (DC) 10 On utilise ici le terme « non réglementé » pour désigner des bandes qui sont librement accessibles sous réserve de respecter un certain nombre de contraintes techniques. L’agrégation de porteuses est mise en œuvre dans LAA11 et LTE-U12 . LTE-U Cette approche développée par le forum LTE-U, créé par Verizon et soutenu par Qualcomm, s’appuie sur les versions 10 à 12 des spécifications du 3GPP. Elle est adaptée aux pays %TATS
5NIS #HINE OáLARÏGLEMENTATIONDELABANDEDES GHz n’impose pas aux utilisateurs le respect de la procédure LBT13 . Pratiquement, le principe est d’utiliser une première porteuse dans les bandes réglementées et d’y agréger une porteuse dont les caractéristiques radio sont compatibles avec les spécifications du Wi-Fi dans la bande non régle- mentée (figure 2). Initialement limitée au sens descendant, LTE-U a été étendu au sens montant. Le terminal et le réseau répartissent les flux de données à transmettre sur les deux canaux en fonction des exigences de service applicables à chacun des flux. 11 LAA : Licensed Assisted Access 12 LTE-U : LTE Unlicensed 13 LBT : Listen Before Talk. Procédure utilisée en radio dans laquelle un émetteur teste son environnement radioélectrique par exemple pour sélectionner un canal radio libre sur lequel il émettra. Figure 2 : Principe de LTE-U – Source : sharetechnote.com. ACTUALITÉS 18 ZREE N°5/2017 LAA LAA (Licensed Assisted Access) a été définie dans la ver- sion 13 des spécifications du 3GPP comme une évolution de LTE : elle prend en charge les obligations réglementaires applicables à la bande 5 GHz des différents continents. Elle prend en compte la procédure LBT mais ne permet l’usage de la bande 5 GHz que dans le sens descendant. La version 14 prévue cette année devrait ajouter la possibilité d’utiliser un canal remontant dans la bande 5 GHz. Les approches LTE-U et LAA ont provoqué une controverse aux États-Unis : des industriels et des villes qui déploient le Wi-Fi, craignant une dégradation de la qualité du Wi-Fi par le partage de la bande 5 GHz avec LTE-U, ont protesté auprès de la FCC et demandé que son usage ne soit pas autorisé avant des tests de terrain. Cependant les analyses techniques justi- fiant ces craintes ont été contestées et Qualcomm a présenté des résultats de test réels montrant que Wi-Fi et LTE-U/LAA coexistaient de façon satisfaisante (figure 3). Finalement en 2017, la FCC a approuvé la mise en œuvre de LTE-U sur les stations de base de Nokia et Ericsson. T-Mobile US a annoncé en juin 2017 que LTE-U était disponible pour ses clients dans un certain nombre de villes des États-Unis. Il est à noter que les approches LTE-U et LAA de l’intégra- tion du Wi-Fi dans les réseaux mobiles n’utilisent pas en fait de points d’accès Wi-Fi. Aussi pour les opérateurs souhaitant valoriser les points d’accès Wi-Fi, une autre approche a été définie par le 3GPP, la LWA. LWA L’approche LTE-WLAN Aggregation (LWA), définie par le 3GPP dans la version 13 de ses spécifications, utilise le point d’accès et donc la couche radio Wi-Fi (2,4 et 5 GHz). Ce dernier peut être colocalisé avec la station de base LTE ou lui être connecté par l’interface Xw. LWA met en œuvre la double connectivité en associant un lien radio du réseau d’accès mo- bile et un lien Wi-Fi (figure 4). Les paquets d’un même flux de données IP descendant peuvent être transportés soit par le lien réglementé, soit par le lien Wi-Fi : une couche protoco- laire appelée PDCP14 segmente et réassemble le flux de pa- quets en assurant le maintien de leur ordre. Des mécanismes 14 Packet Data Convergence Protocol : Figure 3 : Effet de LAA sur les débits Wi-Fi. Source : Qualcomm. Figure 4 : Principe de LWA. Source : sharetechnote.com ACTUALITÉS REE N°5/2017 Z 19 de mesures du canal Wi-Fi ont été définis pour déclencher l’activation ou la désactivation de LWA. Dans la version 14 des spécifications, il est prévu de pouvoir agréger les flux dans le sens montant et de prendre en compte les versions du Wi-Fi qui fonctionneront dans la bande des 60 GHz. Une autre approche de l’agrégation du Wi-Fi et des ac- cès mobiles est LWIP : elle s’appuie sur l’établissement d’un tunnel IPsec entre le terminal et la station de base et sur la double connexion au réseau mobile. Multefire Multefire est une transposition de LTE et de ses évolutions dans les bandes non réglementées, 5 GHz en particulier. Les travaux de définition ont été lancés en 2016 ; ils s’appuient sur les résultats de travaux de la version 13 et en particulier sur LAA. L’objectif est d’obtenir un système de communica- tion mobile à petites cellules autonomes ayant les perfor- mances de LTE sans recourir à un ancrage dans LTE et aussi facile à déployer que le Wi-Fi sans supporter les redevances d’usage du spectre réglementé. Il peut couvrir des bâtiments d’entreprises ou des enceintes de forte densité tout en res- tant compatible avec les déploiements LTE. Le 3GPP a accepté en mars 2017 comme sujet d’étude une solution globale pour un accès radio fondé sur la nou- velle radio 5G dans les bandes non réglementées : il inclut à la fois l’accès assisté (comme LAA) et l’accès autonome (comme Multefire). L’intégration du Wi-Fi, ou des bandes de fréquences Wi- Fi, dans les systèmes cellulaires rapproche deux mondes qui se développaient indépendamment. Elle permet aux systèmes cellulaires d’améliorer la couverture interne des bâtiments à des coûts peu élevés : cette évolution, conju- guée à la limitation de la puissance requise des terminaux pour l’Internet des objets (IoT), devrait donner aux réseaux cellulaires un rôle central dans l’IoT. Quelle sera la place des techniques Wi-Fi à l’avenir ? Il est difficile de répondre à cette question mais il est très probable que les deux mondes sont appelés à coopérer de manière de plus en plus étroite. Q PC Photo 1 : (de gauche à droite) Rainer Weiss (Crédit photo : Bryce Vickmark), Barry Barish (Source : Wikipédia) et Kip Thorne (Crédit photo : Caltech Alumni Association). ACTUALITÉS Le prix Nobel de physique : aboutissement d’un travail d’équipe Le prix Nobel de physique 2017 Le prix Nobel de physique 2017 a été attribué aux physi- ciens américains Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne pour leurs contributions décisives au succès de l’expérience LIGO et à la première observation des ondes gravitationnelles. L’observation directe de ces ondes, annoncée le 11 février 2016, est le résultat de la collaboration entre les équipes des détecteurs LIGO aux Etats-Unis et Virgo en Europe ; elle est le fruit de l’implication pendant plusieurs décennies de très nombreux scientifiques, tant au niveau de la théorie que des efforts expérimentaux. On pourra se reporter à la REE 2016-2 OáUN&LASHINFOAVAITFAITPARTDECETTEDÏCOUVERTE sRainer Weiss, né à Berlin en 1932, a dû fuir l’Allemagne en 1938 pour trouver refuge aux Etats-Unis. Il mena ses études au MIT qu’il rejoignit en tant que professeur en 1964. Il fut pionnier dans de nombreux domaines dont la mesure du fond diffus cosmologique par le satellite NASA/COBE. Il mit au point l’interféromètre pour ondes gravitationnelles et fut co-fondateur du projet NSF/LIGO qui devait mener à une meilleure compréhension de l’Univers ; s Barry Barish, né en 1936, a fait ses études à l’Université de Californie à Berkeley. Retraité du California Institute of technologie, il est membre de la Société américaine de phy- sique et de l’Académie nationale des sciences. Tout comme